“Ecophotonics”:
Natürliche Lichtstrategien werden zur nachhaltigen Technologie

• Dr. Vera Titze startet „Ecophotonics“: Dank des Minerva-Fast-Track-Programms der Max-Planck-Gesellschaft baut sie ihre unabhängige Forschungsgruppe in der Abteilung Nachhaltige und bioinspirierte Materialien auf.
• Wie die Natur Licht steuert: Ecophotonics untersucht, wie lebende Systeme Licht verarbeiten und wie lebende Materialien auf Basis von Bakterien oder Mikroalgen lichtbasierte Funktionen übernehmen können.
• Wirkung über das Labor hinaus: Inspiriert von der Natur entwickelt die Gruppe neuartige biohybride photonische Materialien und optische Bauteile, darunter biobasierte Laser und selbstversorgte Umweltsensoren.

Dr. Vera Titze möchte die Strategien der Natur zur Lichtsteuerung in biobasierte optische Materialien für energiearme Signaltechnologien übertragen. Die Max-Planck-Gesellschaft unterstützt ihre Vision mit einem Minerva-Fast-Track-Fellowship: einem hochselektiven Programm, das jährlich sechs herausragende Wissenschaftlerinnen beim Aufbau eines eigenständigen Forschungsprofils unterstützt. Im März startet Titze ihre Gruppe in der Abteilung Nachhaltige und bioinspirierte Materialien und wird eine Promotions- sowie eine Postdoc-Stelle besetzen.

Der Name Ecophotonics spiegelt sowohl Titzes Neugier an grundlegender Forschung als auch ihren Anspruch auf ökologische Wirkung wider. Ihr Team wird untersuchen, wie lebende Systeme über verschiedene Größenskalen hinweg Licht gezielt manipulieren, und diese Prinzipien auf adaptive optische Materialien und Bauelemente übertragen.
„Die Abteilung Nachhaltige und Bioinspirierte Materialien ist der ideale Ort für meine Gruppe, weil hier echte Interdisziplinarität gelebt wird“, sagt Titze. „Wir können optische Technologien mit Anwendungen verbinden, die der Umwelt zugutekommen.“

Wie Bakterien und Mikroalgen Licht wahrnehmen und steuern

Ausgangspunkt von Ecophotonics ist eine einfache, zugleich weitreichende Prämisse: lebende Systeme können uns zeigen, wie Licht als Träger komplexer Informationen genutzt werden kann.

„Lichtverarbeitungsmechanismen in der Natur sind über Millionen Jahre der Evolution optimiert worden“, erklärt Titze. „Mich fasziniert, wie komplexe Herausforderungen mit minimalem Energieaufwand und ausschließlich nachhaltigen Bausteinen gelöst werden.“

Einige Mikroalgen und Bakterien reagieren empfindlich auf Veränderungen der Lichtbedingungen und passen ihr Wachstum sowie ihren Energiehaushalt entsprechend an. Manche erzeugen sogar eigene optische Signale.

Das Ecophotonics-Team erforscht die optische Informationsverarbeitung in Kieselalgen. Diese einzelligen Mikroalgen passen sich besonders gut an schnell wechselnde Umweltbedingungen an. Das Zusammenspiel von Lichtmanipulation in einzelnen Zellen und Interaktionen in Zellgemeinschaften kann adaptive, lebende optische Materialien ermöglichen. Derzeit entwickelt die Gruppe spezielle Mikroskope, um die Ausbreitung von Licht in lebender Materie präzise nachzuverfolgen.

Außerdem erforscht das Team, wie sich marine Bakterien – etwa Flavobakterien – beim gemeinsamen Wachstum zu hochgeordneten Strukturen organisieren. Dabei können Kolonien periodische Muster bilden, sogenannte photonische Kristalle, die für optische Bauteile besonders interessant sind. Indem die Forschenden ihr Wachstum verfolgen, gewinnen sie Prinzipien, um die Eigenschaften nachhaltiger, bakterienbasierter Materialien gezielt einzustellen.

Von lebenden Strukturen zu energiearmen Sensoren und optischen Bauteilen
 

„Sobald wir diese grundlegenden Designprinzipien verstanden haben, lassen sich reale Anwendungen vollständig aus lebender Materie denken“, ergänzt Titze.

Eine mögliche Anwendung ist der Aufbau optischer Bauteile aus bakteriellen Kolonien. Statt Komponenten aus konventionellen Materialien aufwendig herzustellen, können Bakterien mit einfachen Nährstoffen und zu programmierbaren Mustern kultiviert werden, die gezielt mit Licht wechselwirken. In Zusammenarbeit mit Biotechnologinnen und Biotechnologen der Abteilung arbeitet die Gruppe zudem mit gentechnisch angepassten Bakterien, die Licht emittieren – ein Ansatz mit großem Potenzial für adaptive, selbstwachsende Lichtquellen.

Ein weiteres Anwendungsfeld spiegelt Titzes Nachhaltigkeitsanspruch wider:

„Heute überwachen wir Umweltveränderungen mit Geräten, die kontinuierlich Energie benötigen, um zu messen, Daten zu speichern und zu übertragen. Warum diese Veränderungen nicht direkt in ein intelligentes Lichtsignal übersetzen – mithilfe lebender Materialien?“

Solche energiearmen Sensoren könnten biologische Komponenten integrieren oder deren Strategien nachahmen, um Energie zu sparen, etwa indem sie ihre Farbe oder Helligkeit als Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen anpassen.

Während Ecophotonics an der Schnittstelle von Physik, Mikrobiologie und Materialwissenschaften Gestalt annimmt, lädt Dr. Vera Titze motivierte Bachelor- und Masterstudierende ein, bei Interesse an einer Mitarbeit Kontakt aufzunehmen.